吳衛(wèi)江

（廣東省核工業(yè)華南高級技工學(xué)校，廣東 韶關(guān) 512026）

五軸加工中心加工復(fù)雜零件案例分析

吳衛(wèi)江

（廣東省核工業(yè)華南高級技工學(xué)校，廣東 韶關(guān) 512026）

對五軸加工進(jìn)行概述，分析了其在復(fù)雜零件加工中的優(yōu)勢，并以小轎車模型為例，分析了五軸數(shù)控加工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用及效果。

五軸數(shù)控加工；小轎車；優(yōu)勢

1 五軸加工概述

當(dāng)前，隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為當(dāng)代制造業(yè)的主要設(shè)備，數(shù)控技術(shù)是提高制造水平的保障，傳統(tǒng)的加工技術(shù)正在逐漸被數(shù)控技術(shù)替代，數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)國家先進(jìn)制造業(yè)的保障。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心則是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的最高水平，但是由于制造業(yè)的發(fā)展水平有限，我國的高端數(shù)控加工設(shè)備和先進(jìn)發(fā)達(dá)國家相比還有差距。因此，在多軸聯(lián)動(dòng)加工軟件平臺和數(shù)據(jù)庫開發(fā)方面，需要進(jìn)一步進(jìn)行研發(fā)。

和傳統(tǒng)的三軸加工技術(shù)相比，五軸加工技術(shù)對零件進(jìn)行加工時(shí)，采用機(jī)床5 個(gè)坐標(biāo)軸，分別為X、Y、 Z3個(gè)坐標(biāo)軸和任意 2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。其中，繞X、 Y、Z的旋轉(zhuǎn)軸分別稱為A、 B、C軸， 其余為A、 B、C中的任意2個(gè)自由度。五軸數(shù)控加工主要應(yīng)用在輪船、水電水利、航空航天等高端產(chǎn)品的核心部件制造，其應(yīng)用非常廣泛，比如制造水利水電設(shè)備中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪及模具，這些核心部件對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能直接產(chǎn)生影響。當(dāng)前，西方裝備制造業(yè)較發(fā)達(dá)，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，并且加工精度也越來越高，因此，為了提高我國的制造業(yè)加工水平，開展五軸加工技術(shù)的研究十分重要。

2 五軸加工復(fù)雜零件優(yōu)勢

在復(fù)雜零件加工過程中，五軸加工具有以下優(yōu)勢：（1）采用五軸加工技術(shù)通過一次裝夾零件可以完成零件的大部分加工，縮短了加工時(shí)間和零件制造周期，并且降低了工作人員的工作量。（2）在復(fù)雜零件加工過程中，利用刀具的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)零件的切削，由于采用不同的切削原理、刀具與被加工工件的接觸角度不相同，導(dǎo)致工件的加工質(zhì)量和切削結(jié)果也不相同。使用五軸加工技術(shù)可以使加工中心刀軸和被加工零件保持垂直定位狀態(tài)， 零件角落可實(shí)現(xiàn)完全加工，和三軸加工相比，縮小了被加工零件的殘留余量，采用平面光刀的切削方式可以實(shí)現(xiàn)被加工零件和刀具的面接觸，延長了刀具的使用時(shí)間，而且，刀路之間不會出現(xiàn)“殘高”的現(xiàn)象，使零件加工表面十分平整、光潔，只需進(jìn)行簡單拋光即可達(dá)到預(yù)期要求。（3）由于在零件加工過程中，刀具高速旋轉(zhuǎn)，為了保證零件的加工精度，防止刀具加工過程中出現(xiàn)振動(dòng)的現(xiàn)象及發(fā)生過切的現(xiàn)象，要求刀具具有一定的長徑比（長度與直徑的比值），但是如果采用五軸加工，則可以保證零件的加工精度，并且不對刀具的長徑比做出要求。四是，減少零件加工過程中的電極數(shù)量。進(jìn)行模具零件加工時(shí)，使用五軸加工可以有效地減少電極數(shù)量。這是因?yàn)殡姌O的主要作用是清根，在采用三軸加工對一些較深的型腔圓角處無法加工到位時(shí)才會使用電極清跟。如果采用五軸加工，加工比較完全并且加工的零件精度高，且流程十分簡單，降低電極使用數(shù)量。

3 五軸加工案例分析

以小轎車模型加工為例，對五軸加工進(jìn)行分析。加工的小轎車模型尺寸為500mm×295mm×200mm，加工曲面為NURBS曲面，加工材料為一種樹脂合成材料——代木。小轎車三維模型見圖1。

在加工過程中選用SKY-5L16075型轉(zhuǎn)臺+擺頭式五聯(lián)動(dòng)高速加工中心和數(shù)控系統(tǒng)SKY2006N（專用于多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床控制）。分析機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工工藝之后，制作汽車模型加工夾具，制作的夾具如圖2所示，采用強(qiáng)力拉緊螺釘將小轎車?yán)喂坦潭ㄔ趭A具上。加工刀具和加工參數(shù)需要根據(jù)汽車模型的尺寸大小和加工精度等選擇判定，在本次加工中刀具的選擇如下：圓角立銑刀（圓角半徑1mm、直徑10mm），圓角立銑刀（圓角半徑4mm、直徑為6mm）、球刀（直徑16mm），刀柄選用熱膨脹結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

圖1 小轎車三維模型

圖2 汽車模型的制作夾具

在五軸聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)編程通常采用CAD/ CAM軟件來實(shí)現(xiàn)，本次研究中五軸加工程序采用Unigraphics 編程軟件的CAM部分實(shí)現(xiàn)。編寫程序時(shí)，先制作驅(qū)動(dòng)曲面，并且制作的驅(qū)動(dòng)曲面要盡可能簡單。制作驅(qū)動(dòng)曲面后，編制數(shù)控加工程序如下：（1）粗加工程序。采用Unigraphics 加工模塊中的3+2 軸（固定五軸）功能實(shí)現(xiàn)小轎車的編程，使用刀具從工件的不同方向進(jìn)行加工，確保粗加工完成之后去除大面積材料。加工參數(shù)如下：Mill_ contour(型腔銑-粗加工)，加工刀具為圓角立銑刀，其直徑16mm、圓角半徑為4mm、公差為0.1mm，余量為3mm。（2）半精加工程序。采用Mill_ multi_axis（多軸加工-半精加工）加工策略，加工刀具選用直徑10mm、圓角半徑為1mm的圓角立銑刀，公差為0.03mm、余量為1mm，去除工件殘留量。（3）精加工程序。采用Mill_multi_axis（多軸加工-精加工）加工策略，加工刀具為直徑6mm的圓角立銑刀，公差為0.005mm、余量為0mm。

根據(jù)小轎車模型的具體加工要求，在加工過程中合理設(shè)置驅(qū)動(dòng)曲面相關(guān)參數(shù)如切削方式、刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡等，并根據(jù)SKY-5L16075型數(shù)控機(jī)床的要求等對加工程序進(jìn)行編寫。由于在加工程序編制中，刀軸的控制為難點(diǎn)，因此，需要在加工過程中通過驅(qū)動(dòng)曲面對刀軸的連續(xù)變化進(jìn)行控制。

程序編寫完成之后，建造多軸后置處理。多軸后置處理需要根據(jù)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)指令格式、數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)等采用軟件Unigraphics實(shí)現(xiàn)后置處理，進(jìn)入該軟件的后置處理構(gòu)造器，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，構(gòu)造完成后將其保存，見圖3。同時(shí)將編制好的刀位程序根據(jù)后置處理轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床能夠讀取的標(biāo)準(zhǔn)G代碼。為了確定編寫的程度是否符合加工要求，通常在實(shí)際加工之前對編寫程序進(jìn)行仿真研究。完成全部程序編制之后，在Unigraphics中構(gòu)建與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的轉(zhuǎn)臺+擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，在軟件中進(jìn)行模擬加工。

圖3 后置處理的構(gòu)造

模擬加工完成之后進(jìn)行機(jī)床實(shí)際加工。將夾具安裝在轉(zhuǎn)臺上，再把小汽車固定在夾具上。在機(jī)床的操作中選用 G55定位標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上文所述設(shè)置粗加工、半精加工、精加工等參數(shù)，編制的程序能夠?qū)崿F(xiàn)一些倒扣曲面的加工，加工精度達(dá)到0.01mm。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，五軸加工技術(shù)的應(yīng)用也會越來越廣泛，此外，要加大科研投入，促進(jìn)五軸加工技術(shù)的發(fā)展，使其加工更加精確。

[1]郭生濤.五軸加工中心在汽車模具制造中的應(yīng)用[J].金屬加工，2013(10):25～26.

[2]楊晗.基于 UG和 VERICUT整體葉輪數(shù)控加工與虛擬仿真的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2013(6):61～64.

[3]高雯. 五軸加工中心在模具加工中的應(yīng)用[J]. 科技傳播，2014,19:213+178.

TG547

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1671-0711（2017）01（下）-0182-02